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金屬3D列印技術(一):高純淨粉末製造技術

製造業的數位化與社群化會掀起第三次工業革命,而最關鍵的技術就是積層製造,最主要的材料則是高純淨粉體。本文為您介紹高純淨金屬粉末製造技術。
 
 
 
 第三次工業革命:金屬積層製造
 
自從《經濟學人》雜誌於2011年把積層製造(3D列印)視為第3波工業革命後,它已經成為一門顯學。

積層製造技術又稱快速成形技術,是近代革命性的先進製造技術。這技術源於美國,經過二十多年的不斷改進已經日臻成熟,主要用以製造符合3F原則的成品——形狀(form)與設計一致、尺寸符合公差適合度(fit)、成品具使用功能(function)。

與傳統的「減法式製造」不同,積層製造技術採用「加法式製造」,即使用者以電腦繪製零件的設計圖或掃描現有物件,再以積層製造設備把原材料層層堆疊形成堅固物件。

根據《Wohlers Report 2013》報導,積層製造市場在2012年持續成長,設備、服務與材料區塊的產值從2011年的17億美元增加到22億美元,預估至2019年會超過65億美元。

金屬積層製造技術透過設備、金屬粉末材料與成形技術製造出積層金屬製品,雖可彌補傳統減法製造工藝無法實現的複雜形狀金屬成品的製造,但成本較高,且在實際應用時也有尺寸精度、表面粗糙度、邊角毛邊、與燒結製程緊密關聯的機械強度等問題需克服。然而,金屬製品才是積層製造技術的真正機會,探索積層製造用的高純淨粉體已是當務之急。

高純淨合金熔煉技術,大型鈦錠和回收鈦都會用到
 
高純淨合金如鈦合金,其熔煉按照是否需製作海綿鈦電極,可分為需要把海綿鈦製作成電極的真空電弧重熔、不需要把海綿鈦製作成電極的電子束熔煉與等離子弧光熔煉。

真空電弧重熔的熔煉速率快,能生產大型鑄錠,全世界85%的鈦金屬是以真空電弧重熔生產的,是生產純鈦及鈦合金鑄錠的主流方法。真空電弧重熔爐主要包含電源供應器、水冷銅坩鍋、真空腔體及海綿鈦電極鑄錠四大構件。其電極鑄錠製作方式有兩種,一是利用真空感應熔煉爐直接澆鑄出電極,另一是利用油壓機把粒狀金屬原料加壓成電極形狀,適用於一些熔點高且活性大,易與氧化物坩鍋反應的金屬,如鈦、鎢、鋯等。

真空電弧重熔爐熔煉時,主要是利用電極鑄錠與水冷銅坩堝之間產生的電弧使電極鑄錠熔化,金屬液滴滴落水冷銅坩堝中形成熔池。由於熔湯熱量被水冷銅坩鍋帶走,因此鑄錠組織較一般鑄造的鑄錠細緻均勻。

電子束熔煉主要是在真空下以電子束當作熱源進行熔煉,適合生產高熔點、高活性的金屬。這方法所用的原材料可以是海綿鈦、回收料等,目前回收料用量最高,可是海綿鈦不需壓實成塊就可熔煉(這句請作者在校閱時潤飾/確認),常用於回收純鈦的熔煉。熔煉後鈦錠呈方形,不需鍛打可直接軋延。因在高真空下熔煉,雜質元素揮發除去的同時,被熔金屬元素也會揮發,鈦合金熔煉不易。回收鈦中的低密度及高密度雜質都可除去。

等離子弧光熔煉與電子束熔煉相同,所用的回收鈦及海綿鈦不需壓實成塊就可熔煉,熔煉後的鈦錠呈方形,可直接軋延。由於等離子弧光熔煉可在大氣或保護性氣體下進行,可避免Al、Sn、Mn、Cr等高揮發性元素揮發,適合熔煉鈦合金。熔煉時,He或Ar等離子高速旋轉衝擊熔湯產生攪拌效果,有助於成分均勻化。

鈦合金由真空電弧重熔熔煉成鑄錠,經過鍛壓、旋轉鍛造後,再進行棒材或線材的輥軋與抽製。一般累積面積縮減率達30%時就需進行製程退火,退火溫度為攝氏600~800度。

為解決成形過程產生的表面雜質及缺陷,需於合金製造、成形加工與產品實現過程中,適時搭配合宜的表面處理製程,以避免表面缺陷造成放大效應,並進一步提供美觀、防護、特殊表面性質及機械或工程性質。

旋轉電極製粉法,高純淨球狀粉末
 
旋轉電極設備示意圖。
▲旋轉電極設備示意圖。
 
 
旋轉電極製粉法是以金屬或合金製成自耗電極,其端面受電弧加熱而熔融為液體,通過電極高速旋轉的離心力把液體拋出並粉碎為細小液滴,繼而固化為粉末。

這方法於1974年由美國首先開發成功。它在熔融和霧化金屬過程中完全避免了造渣和與耐火材料接觸,消除了非金屬夾雜物汙染源,可生產高潔淨度的粉末。

運用這方法可以產生接近球狀的粉末,且不會受到坩鍋汙染,是高清淨度的金屬粉末。優點是粉末粒徑容易控制、粉末粒徑分布組距窄,容易滿足特殊品質要求;可以產出各種不同類型的金屬球狀粉末,以及不易脆裂的非金屬球狀粉末;除了低熔點的金屬與合金粉末外,也可製作出球狀高熔點金屬粉末。

電漿旋轉電極製粉法,金屬液滴凝固成粉末
 
在電漿旋轉電極製粉技術中,粉末粒徑的主要影響變數是電極轉速、電極棒徑,熔解速率、材料特性則影響經驗常數。

這方法是以電弧熱熔解材料,靠離心力把金屬液甩出形成金屬液滴,藉由表面張力作用使金屬液滴呈球狀,凝固後形成金屬粉末。原理看似簡單,但因製粉過程須在保護惰氣環境下進行而變得不容易,且必須提供足夠大的真空腔體系統(避免金屬液滴氧化和碰撞腔壁變形),且須克服電極棒高轉速動力引入和電弧槍前進動力引入的氣密,以及電極轉動模組、腔體散熱等問題。
 
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